耳機裡的聲音，為啥會有方向感？

戴上耳機的時候，我們經常能感受到聲音有明顯區別地從前後左右傳進我們的耳朵裡，從而給我們帶來更好的聽覺體驗。你知道是怎麼做到的嗎？

大家都知道，我們可以憑藉一隻耳朵來感受聲音的響度、音調和音色。但是，如果想辨別出聲音的方向，就要依靠兩隻耳朵了。原因在於兩隻耳朵才可以聽出

時間差和聲級差

。時間差是指聲音抵達兩隻耳朵時間的前後差別，聲級差則是兩隻耳朵聽到聲音能量的大小差別。例如，聲源在我們的右邊時，我們的右耳會先聽到聲音，之後聲音才會到達左耳。

圖片來源：Google I/O

從正前方和正後方過來的聲音，同時到達雙耳，聲能量一樣，所以僅僅靠時間差和聲級差兩個資訊，我們無法判斷聲音來自正前方還是正後方。

那麼，問題又來了，雙耳怎麼辨別聲音的前後方向？事實上，聲音從發出到被我們的耳朵聽到，經歷了三個過程——

傳播過程、生理過程和心理過程

。由於生理過程和心理過程幾乎不可操控，在這裡我們僅僅關注傳播過程。

傳播過程也稱為物理過程，

是指聲源發出的聲波經由介質到達耳廓，再透過耳道傳遞到鼓膜並引起其振動的過程

。這是一個極其複雜的過程，人耳廓構造的不同會使聲波經由耳廓影響後形成的波形不盡相同。

顯然，正前方聲源的傳播過程和正後方聲源的傳播過程是不一樣的！因為我們的耳朵並不是前後對稱的。來自正前方的聲音經過耳廓反射，可以直接進入耳道；而正後方的聲音則需要繞過耳廓才能進入耳道。也正是由於這種不同，我們才可以分辨出聲音來源的前後。

圖片來源：Google I/O

耳廓相當於一個給聲音進行“加密”的裝置，而我們的大腦經過長時間的學習，已經完全掌握了這門“解密技術”，因此，可以輕而易舉地聽出聲源的前後方位。

更加科學地講，加密聲音的不僅僅是耳廓，還有頭部輪廓和肩膀等身體部位。由於這一系列的影響都與頭部有關，因此這種加密方法也被研究人員稱為：

頭相關函式

。

頭相關函式可以理解成我們頭部對於聲音的加密方法，這種加密是針對不同方位的。也正因為頭部對於各個方向上的聲音加密方式不一樣，我們的大腦才可以解密出聲音的方向。

為了解密不同聲源方位的加密方式，研究人員可以透過測量或者計算得到不同方向的頭相關函式，然後組成一個數據庫。

圖片來源：Veer相簿

我們戴上耳機之後，聲音便直接經由耳道，被鼓膜接收了。失去了頭部加密的過程，耳機內的聲音聽起來也就沒有了方向感。

但是，隨著聲訊號處理技術的發展，我們可以透過在耳機內部置入電子裝置，來模擬頭部的加密過程。如果我們的電子裝置與頭相關函式的加密方法一致，那麼經過電子裝置加密之後的聲音就可以被大腦解密出方位資訊，成功地“欺騙”大腦。

正是基於這樣的思路，工程師們開發了基於頭相關函式資料庫的空間音訊方法。

他們用數位電路來模擬整個的頭相關函式資料庫，然後對耳機內的聲音進行特定方向上的加密，這樣，就能夠讓耳機內的聲音聽起來具有特定的方向感。

出品：中國科普博覽

作者：王泰輝

中科院聲學所中科院噪聲與振動重點實驗室

【來源：中國科普博覽】

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